JP5383177B2 - 外乱補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転動作を制御する制御装置に組み込まれ、該モータに作用する負荷トルクの変動を補償する外乱補償装置に関する。

図２に基づいて、従来の外乱補償装置について説明する。図２は、モータ２１の制御装置２３に組み込まれる従来の外乱補償装置２０を示すブロック線図である。
図２と以下の説明で用いる記号についての定義は下記の通りである。下記において［］内は単位である。
Ｉ_ｉ：電流制御指令値
Ｉ：モータ２１に供給される電流値［Ａ］
Ｋ_ｔ：モータ２１のトルク定数［Ｎｍ／Ａ］
Ｊ_ｍ：モータ２１の慣性（イナーシャ）［ｋｇ・ｍ^２］
Ｔ_Ｌ：モータ２１に作用する負荷トルク［Ｎｍ］
ω：モータ２１の回転角速度［ｒａｄ／ｓ］
ω_ｃ：カットオフ周波数［ｒａｄ／ｓ］
ｓ：ラプラス演算子

制御装置２３は、前記モータ２１に電力を供給するモータドライバ２５と、該モータドライバ２５に電流制御指令値Ｉｉを出力する指令部２７と、を備える。前記モータドライバ２５は、電流制御指令値Ｉ_ｉに基づいた電流を前記モータ２１へ供給する。

モータ２１について説明する。モータ２１に、モータドライバ２５から電流Ｉが供給されることで、ＩＫ_ｔのトルクがモータ２１に与えられる。その一方、摩擦や負荷などの負荷トルクＴ_Ｌがモータ２１に作用する。従って、モータ２１に作用する正味のトルクは、ＩＫ_ｔ−Ｔ_Ｌとなる。この場合、モータ２１の回転角速度ωは、（ＩＫ_ｔ−Ｔ_Ｌ）／Ｊ_ｍｓとなる。

外乱補償装置２０は、上述のモータ２１の回転角速度ω＝（ＩＫ_ｔ−Ｔ_Ｌ）／Ｊ_ｍｓに基づいて、電流制御指令値Ｉ_ｉを補正することで、上述の負荷トルクを補償する。外乱補償装置２０は、指令トルク算出部２９と、速度センサ３１と、速度トルク換算部３３と、偏差算出部３５と、単位調節部３７と、補正部３９とを備える。
指令トルク算出部２９は、モータドライバ２５が前記モータ２１へ供給する電流値Ｉとトルク定数Ｋ_ｔとの積によりトルク値ＩＫ_ｔを算出する。
速度センサ３１は、モータ２１の回転角速度ωを検出する。
速度トルク換算部３３は、回転角速度ωとＪ_ｍｓとの積によりトルク値ωＪ_ｍｓを算出する。
偏差算出部３５は、指令トルク算出部２９からのトルク値ＩＫ_ｔと、速度トルク換算部３３からのトルク値ωＪ_ｍｓとのトルク偏差ＩＫ_ｔ−ωＪ_ｍｓを算出して出力する。
単位調節部３７は、偏差算出部３５からのトルク偏差ＩＫ_ｔ−ωＪ_ｍｓに１／Ｋ_ｔを乗算した値（ＩＫ_ｔ−ωＪ_ｍｓ）／Ｋ_ｔを算出する。
補正部３９は、単位調節部３７からの出力（ＩＫ_ｔ−ωＪ_ｍｓ）／Ｋ_ｔを、電流制御指令値Ｉ_ｉに加算することで、電流制御指令値Ｉ_ｉを補正する。
なお、符号４１はローパスフィルタを示す。

上述した外乱補償装置２０の構成では、速度トルク換算部３３が算出したトルク値ωＪ_ｍｓは、負荷トルクや摩擦や慣性モーメントなどを含めた負荷トルクが反映されたものであるので、補正部３９が、（ＩＫ_ｔ−ωＪ_ｍｓ）／Ｋ_ｔを、電流制御指令値Ｉ_ｉに加算することで、負荷トルク変動の影響を取り除くことが可能である。

上述のような外乱補償装置２０は例えば下記の非特許文献１に記載されている。また、本願に対する他の先行技術文献として、下記の特許文献１〜４がある。
特開平０３−１５５３８３号公報 特開平１１−２８５２８３号公報 特開２００２−３６６２０３号公報 特開２００７−２３３９１７号公報 日本ロボット学会誌 Ｖｏｌ．１１ Ｎｏ．４， ｐｐ．４８６〜４９３，１９９３年５月

しかし、図２の構成では、モータの電機子インダクタンス、直流抵抗、逆起電力定数が考慮されておらず、これらの影響の変動を取り除くことができない。
そこで、本発明の目的は、モータに作用する負荷トルクの変動だけでなく、前記モータの電機子インダクタンス、直流抵抗（発熱により大きく変動する）および逆起電力定数の影響の変動をも補償できる外乱補償装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、モータの回転動作を制御する制御装置に組み込まれ、該モータに作用する負荷トルクの変動を補償する外乱補償装置であって、
前記制御装置は、
前記モータに電圧を印加するモータドライバと、
該モータドライバに電力供給指令値を出力する指令部と、を備え、前記モータドライバは、電力供給指令値に基づいて前記モータに電圧を印加し、
前記外乱補償装置は、
前記モータの回転速度を検出する速度センサと、
前記モータの電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力が前記回転動作に与える影響を反映させた影響合成信号を、前記回転速度から生成する合成信号生成部と、
前記影響合成信号に基づいて、前記電力供給指令値を補正する補正部と、を備え、
モータドライバが電力供給指令値に基づいて前記モータに印加する前記電圧の値をＥとし、前記モータのトルク定数をＫ _ｔ とし、前記モータの電機子インダクタンスをＬとし、前記モータの直流抵抗をＲとし、前記モータの逆起電力定数をＫ _ｅｍｆ とし、前記モータの慣性をＪ _ｍ とし、前記回転速度である前記モータの回転角速度をωとし、ラプラス演算子をｓとし、αを１または他の値の定数として、
前記補正部は、前記影響合成信号として、αω（Ｊ _ｍ Ｌｓ ^２ ＋Ｊ _ｍ Ｒｓ＋Ｋ _ｔ Ｋ _ｅｍｆ ）を算出し、
さらにβを１または他の値の定数として、前記電圧ＥがβＥ _ｉ である場合に、
前記補正部は、
偏差ΔＤ＝αβＥ _ｉ Ｋ _ｔ −αω（Ｊ _ｍ Ｌｓ ^２ ＋Ｊ _ｍ Ｒｓ＋Ｋ _ｔ Ｋ _ｅｍｆ ）を算出する偏差算出部と、
前記偏差ΔＤを前記電力供給指令値Ｅ _ｉ に加算する加算部と、を有する、ことを特徴とする外乱補償装置が提供される。

上述した本発明による外乱補償装置によると、合成信号生成部が、前記モータの電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力が前記回転動作に与える影響を反映させた影響合成信号を、負荷トルク変動の影響を受けた前記回転速度から生成し、前記補正部が、前記影響合成信号に基づいて、前記電力供給指令値を補正するので、モータの負荷トルク変動だけでなく、前記モータの電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力定数の影響の変動をも補償して取り除くように前記電力供給指令値を補正することができる。よって、より広い補償効果が得られる外乱補償装置が実現される。

後述するように、ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）は、前記モータの電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力が前記回転動作に与える影響を反映させた信号である。従って、このような影響合成信号に基づいて、前記電力供給指令値を補正することで、前記モータの電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力定数の影響の変動をも補償して取り除くように前記電力供給指令値を補正することができる。

具体的には、前記補正部は次の構成により、前記電力供給指令値を補正してよい。

上述した本発明によると、モータに作用する負荷トルクの変動だけでなく、前記モータの電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力定数の影響の変動をも補償できる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態による外乱補償装置１０を示すブロック線図である。
本実施形態による外乱補償装置１０は、モータ３の回転動作を制御する制御装置５に組み込まれ、該モータ３に作用する負荷トルクの変動を補償するものである。

最初に、図１と以下の説明で用いる記号について説明する。各記号の定義は下記の通りである。下記において［］内は単位である。
Ｅ_ｉ：電力供給指令値
Ｅ：モータ３に供給される電圧値［Ｖ］
Ｅ_ｅｍｆ：モータ３の逆起電圧［Ｖ］
Ｉ：モータ３に供給される電流値［Ｖ］
Ｔ_Ｌ：モータ３の負荷トルク［Ｎｍ］
ω_ｍ：モータ３の回転角速度［ｒａｄ／ｓ］
θ_ｍ：モータ３の回転角［ｒａｄ］
Ｋ_ｔ：モータ３のトルク定数［Ｎｍ／Ａ］
Ｌ：モータ３の電機子のインダクタンス［Ｈ］
Ｒ：モータ３の直流抵抗［Ｒ］
Ｊ_ｍ：モータ３の慣性（イナーシャ）［ｋｇ・ｍ^２］
Ｋ_ｅｍｆ：逆起電力定数［Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）］
ζ：減衰比
ω_ｃ：カットオフ周波数［ｒａｄ／ｓ］
ｓ：ラプラス演算子

前記制御装置５は、前記モータ３に電力を供給するモータドライバ７と、該モータドライバ７に電力供給指令値Ｅ_ｉを出力する指令部９と、を備える。前記モータドライバ７は、前記電力供給指令値Ｅ_ｉに基づいて前記モータ３へ電圧Ｅを供給する。βを１または他の値の定数として、電圧Ｅは、Ｅ＝βＥ_ｉであってよいが、簡単のため、以下の説明においてβ＝１とする。
なお、前記制御装置５は、モータ３の回転角速度ω、モータ３の回転角θなどに基づいて、電力供給指令値Ｅ_ｉを指令部９から出力するものであってよい。前記制御装置５の制御方式としては、例えば、フィードバック制御、フィードフォワード制御などを採用してよい。

前記外乱補償装置１０は、速度センサ１１と、合成信号生成部１３と、補正部１５とを備える。

速度センサ１１は、前記モータ３の回転速度（この例では、回転角速度ω）を検出する。

合成信号生成部１３は、前記モータ３の電機子インダクタンスＬ、直流抵抗Ｒおよび逆起電力Ｅ_ｅｍｆが前記回転動作に与える影響を反映させた影響合成信号を、速度センサ１１が検出した前記回転速度（この例では、回転角速度ω）から生成する。
図１の例では、合成信号生成部１３は、前記回転角速度ωと（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）との積により、ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）を影響合成信号として算出し出力する。ここで、αを１または他の値の定数として、合成信号生成部１３は、αω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）を影響合成信号を出力してよいが、簡単のため、以下の説明において、α＝１とする。

補正部１５は、前記影響合成信号に基づいて、前記電力供給指令値Ｅ_ｉを補正する。
図１の例では、補正部１５は、次のように電力供給指令値Ｅ_ｉを補正する。補正部１５は、単位変換部１５ａと、偏差算出部１５ｂと、単位逆変換部１５ｃと、加算部１５ｄを有する。

単位変換部１５ａは、モータドライバ７がモータ３に印加する電圧Ｅの単位を影響合成信号の単位と同じにするために、当該電圧値Ｅとトルク定数Ｋ_ｔとの積により、ＥＫ_ｔを算出して出力する。

偏差算出部１５ｂは、単位変換部１５ａの出力ＥＫ_ｔと、合成信号生成部１３の出力ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）との偏差ＥＫ_ｔ−ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）を算出して出力する。

単位逆変換部１５ｃは、偏差算出部１５ｂの出力を、単位変換により電力供給指令値Ｅ_ｉに換算するため、偏差算出部１５ｂの出力ＥＫ_ｔ−ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）と、トルク定数の逆数１／Ｋ_ｔとの積により、{ＥＫ_ｔ−ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）}／Ｋ_ｔを算出して出力する。なお、図１の例のように、単位逆変換部１５ｃは、２次ローパスフィルタ１５ｅを通過した偏差算出部１５ｂの出力と、トルク定数の逆数１／Ｋ_ｔとの積により、{ＥＫ_ｔ−ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）}／Ｋ_ｔを算出して出力するのがよい。

加算部１５ｄは、モータドライバ７がモータ３に印加する電圧値Ｅと、単位逆変換部１５ｃの出力{ＥＫ_ｔ−ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）}／Ｋ_ｔとを加算することで、Ｅ＋{ＥＫ_ｔ−ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）}／Ｋ_ｔを算出して出力する。この加算部１５ｄの出力Ｅ＋{ＥＫ_ｔ−ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）}／Ｋ_ｔが、補正された電力供給指令値Ｅ_ｉとしてモータドライバ７に入力される。

なお、外乱補償装置１０における演算で使用されるＪ_ｍ、Ｌ、Ｒ、Ｋ_ｅｍｆ，Ｋ_ｔは、ノミナル値（公称値）であってよい。

合成信号生成部１３と補正部１５による作用効果を、モータ３のインダクタンス等の影響を受けた電圧などに関連させて説明する。
（電圧について）
モータ３には、モータドライバ７により電圧Ｅが印加される。その一方で、モータ３には、モータ３の回転運動による逆起電力Ｅ_ｅｍｆ＝ωＫ_ｅｍｆが発生する。従って、モータ３に印加される正味の電圧値は、Ｅ−Ｅ_ｅｍｆ＝Ｅ−ωＫ_ｅｍｆとなる。
（電流について）
モータ３に印加される正味の電圧はＥ−ωＫ_ｅｍｆであり、モータ３の直流抵抗はＲ、モータ３のインダクタンスはＬであるので、ラプラス演算子をｓとして、モータ３に流れる電流は、（Ｅ−ωＫ_ｅｍｆ）／（Ｌｓ＋Ｒ）となる。
（トルクについて）
モータ３に流れる電流は、（Ｅ−ωＫ_ｅｍｆ）／（Ｌｓ＋Ｒ）であるので、トルク定数をＫ_ｔとして、電流によりモータ３に与えられるトルクは、Ｋ_ｔ（Ｅ−ωＫ_ｅｍｆ）／（Ｌｓ＋Ｒ）となる。その一方で、モータ３には負荷トルクＴ_Ｌが作用するので、モータ３の正味のトルクは、Ｋ_ｔ（Ｅ−ωＫ_ｅｍｆ）／（Ｌｓ＋Ｒ）−Ｔ_Ｌとなる。
（回転角速度について）
モータ３の正味のトルクは、Ｋ_ｔ（Ｅ−ωＫ_ｅｍｆ）／（Ｌｓ＋Ｒ）−Ｔ_Ｌであるので、モータ３のイナーシャをＪ_ｍとし、ラプラス演算子をｓとして、モータ３の回転角速度ωは、ω＝｛Ｋ_ｔ（Ｅ−ωＫ_ｅｍｆ）／（Ｌｓ＋Ｒ）−Ｔ_Ｌ｝／Ｊ_ｍｓとなる。
（影響合成信号について）
ω＝｛Ｋ_ｔ（Ｅ−ωＫ_ｅｍｆ）／（Ｌｓ＋Ｒ）−Ｔ_Ｌ｝／Ｊ_ｍｓを変形すると、
ＥＫ_ｔ＝ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）＋Ｔ_Ｌ（Ｌｓ＋Ｒ）
となる。
この式において、左辺のＥＫ_ｔを電気的エネルギに換算して考えると、電気的エネルギが、右辺の第１項のエネルギと、右辺の第２項のエネルギに変換されたとみなせる。このうち、右辺の第１項は、モータ３の運動エネルギとみなせることができ、右辺の第２項は、負荷トルク、電機子インダクタンスおよび直流抵抗の影響により失われたエネルギとみなすことができる。
従って、右辺の第２項Ｔ_Ｌ（Ｌｓ＋Ｒ）に相当する値だけ、モータ３に供給する電圧Ｅ（すなわち、電力供給指令値Ｅ_ｉ）を増加させることで、負荷トルク、電機子インダクタンスおよび直流抵抗の影響の変動を取り除くことができる。なお、直流抵抗は、発熱により大きく変動する。
具体的には、合成信号生成部１３と補正部１５により、上述のように、Ｔ_Ｌ（Ｌｓ＋Ｒ）に相当する値だけ増加させる補正を、すなわち、Ｔ_Ｌ（Ｌｓ＋Ｒ）／Ｋ_ｔ＝{ＥＫ_ｔ−ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）}／Ｋ_ｔだけ増加させる補正を、電力供給指令値Ｅ_ｉに対し行うことで、負荷トルク、電機子インダクタンスおよび直流抵抗の影響の変動を取り除くことができる。

本実施形態による外乱補償装置１０によると、合成信号生成部１３が、前記モータ３の電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力が前記回転動作に与える影響を反映させた影響合成信号を、負荷トルクの影響を受けた前記回転速度から生成し、前記補正部１５が、前記影響合成信号に基づいて、前記電力供給指令値Ｅ_ｉを補正するので、モータ３の負荷トルクの変動だけでなく、前記モータ３の電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力定数の影響の変動をも補償して取り除くように前記電力供給指令値Ｅ_ｉを補正することができる。よって、より広い補償効果が得られる外乱補償装置１０が実現される。
また、上述したように、ω（Ｊ_ｍＬｓ^２＋Ｊ_ｍＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）は、前記モータ３の電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力が前記回転動作に与える影響を反映させた信号である。従って、このような影響合成信号に基づいて、前記電力供給指令値Ｅ_ｉを補正することで、前記モータ３の電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力定数の影響の変動をも補償して取り除くように前記電力供給指令値Ｅ_ｉを補正することができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

上述では、簡単のため、β＝１、α＝１として説明したが、β、αは１以外の定数であってもよい。この場合、Ｅ＝βＥ_ｉとなり、合成信号生成部１３は、αω（ＪＬｓ^２＋ＪＲｓ＋Ｋ_ｔＫ_ｅｍｆ）を影響合成信号として出力する。また、この場合、単位変換部１５ａは、αＫ_ｔを電圧Ｅに乗算して、αＥＫ_ｔを算出して出力し、単位逆変換部１５ｃは、１／αβＫ_ｔを偏差算出部１５ｂからの出力に乗算する。この場合、他の構成は上述と同じであってよい。

本発明の実施形態による外乱補償装置を示すブロック線図である。 従来の外乱補償装置を示すブロック線図である。

符号の説明

３ モータ、５ 制御装置、７ モータドライバ、９ 指令部、
１０ 外乱補償装置、１１ 速度センサ、１３ 合成信号生成部、
１５ 補正部、１５ａ 単位変換部、１５ｂ 偏差算出部、
１５ｃ 単位逆変換部、１５ｄ 加算部、１５ｅ ２次ローパスフィルタ
２０ 外乱補償装置、２１ モータ、２３ 制御装置、
２５ モータドライバ、２７ 指令部、２９ 指令トルク算出部、
３１ 速度センサ、３３ 速度トルク換算部、３５ 偏差算出部、
３７ 単位調整部、３９ 補正部、４１ ローパスフィルタ

Claims (1)

1. モータの回転動作を制御する制御装置に組み込まれ、該モータに作用する負荷トルクの変動を補償する外乱補償装置であって、
   前記制御装置は、
   前記モータに電圧を印加するモータドライバと、
   該モータドライバに電力供給指令値を出力する指令部と、を備え、前記モータドライバは、電力供給指令値に基づいて前記モータに電圧を印加し、
   前記外乱補償装置は、
   前記モータの回転速度を検出する速度センサと、
   前記モータの電機子インダクタンス、直流抵抗および逆起電力が前記回転動作に与える影響を反映させた影響合成信号を、前記回転速度から生成する合成信号生成部と、
   前記影響合成信号に基づいて、前記電力供給指令値を補正する補正部と、を備え、
   モータドライバが電力供給指令値に基づいて前記モータに印加する前記電圧の値をＥとし、前記モータのトルク定数をＫ _ｔ とし、前記モータの電機子インダクタンスをＬとし、前記モータの直流抵抗をＲとし、前記モータの逆起電力定数をＫ _ｅｍｆ とし、前記モータの慣性をＪ _ｍ とし、前記回転速度である前記モータの回転角速度をωとし、ラプラス演算子をｓとし、αを１または他の値の定数として、
   前記補正部は、前記影響合成信号として、αω（Ｊ _ｍ Ｌｓ ^２ ＋Ｊ _ｍ Ｒｓ＋Ｋ _ｔ Ｋ _ｅｍｆ ）を算出し、
   さらにβを１または他の値の定数として、前記電圧ＥがβＥ _ｉ である場合に、
   前記補正部は、
   偏差ΔＤ＝αβＥ _ｉ Ｋ _ｔ −αω（Ｊ _ｍ Ｌｓ ^２ ＋Ｊ _ｍ Ｒｓ＋Ｋ _ｔ Ｋ _ｅｍｆ ）を算出する偏差算出部と、
   前記偏差ΔＤを前記電力供給指令値Ｅ _ｉ に加算する加算部と、を有する、ことを特徴とする外乱補償装置。

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